Метрология и стандартизация. От измерений до робастных систем управления качеством. Учебное пособие

51

3.Написать формулу размерности, выразить через основные и дополнительные единицы СИ, а также привести наименования единиц количества электричества.

4.В течение 2 ч пропущено 600 К электричества. Какова была сила тока?

5.Безопасной силой тока для человека принимают величину не более 1 мА. Сопротивление тела между указательными пальцами двух рук у Петрова составило 15 кОм, у Сидорова – 10 кОм, у Иванова

–17 кОм. Каково безопасное напряжение для каждого из троих?

6.Давление в шине составляет 2,2 технической атмосферы.

Выразить это значение в: а) паскалях; б) мм водяного столба; в) мм ртутного столба; г) кг/мм2.

7.В современных расчетах расхода тепловой энергии пользуются единицей измерения гигокалорией (Гкал). Выразить ее значение: а) в Джоулях; б) кгс·м; в) эргах; г) Вт · ч; д) электрон-вольтах (эВ).

8.Мощность двигателя троллейбуса составляет 100 квт, а электрического фонарика – 1 Вт. Выразить эти значения в: а) эрг·с; б) лошадиных силах; в) мегаваттах; г) кгс·м/с.

9.Определите, сколько Дин содержится в одном Ньютоне. (Дина – единица силы в системе СГС – сантиметр-грамм-секунда)

10.Стакан высотой 11 см с плоским дном и круглыми тонкими стенками с внутренним диаметром 6 см постепенно заполняют водой. Замкнёт ли два электрода, находящиеся на высоте 12 см от дна стакана, если в стакан налить 1,5 л воды?

ВОПРОСЫ ДЛЯ КОНТРОЛЯ

1.Сформулируйте определение Ампера.

2.Чему равен элементарный электрический заряд в системе СИ?

3.Что значит, что сила тока в проводнике равна 5 А?

4.Что служило эталоном ампера в 1893 году?

5.Сформулируйте определение одной секунды.

6.На сколько увеличилась продолжительность суток за последнюю треть XIX в?

7.Что было принято в качестве эталона времени?

8.Как осуществляется воспроизведение секунды?

9.Объясните принцип воспроизведение секунды атомнонулевыми часами.

10.Какова погрешность Российского госэталона времени?

10.ПРОБЛЕМЫ ЭТАЛОННОЙ БАЗЫ

52

Практически в каждом журнале за 2010 год есть статья, связанная с эталонами: «XIV съезд Метрологической академии РФ» (01/2010), «Русский характер» (интервью с Вячеславом Семеновичем Ивановым

– директором Всероссийского научно-исследовательского института оптико-физических измерений, 03/2010), «Этапы развития фундаментальной метрологии» (04/2010), «Директор года» (интервью с Муратшиным Амраном Миграновичем – директором ФГУ «ЦСМ Республики Башкортостан», 05/2010), «Государственные эталоны – национальное достояние России» (интервью с Ниной Владимировной Разиковой – начальником отдела законодательной метрологии Росстандарта, 08/2010).

И это не случайно, ведь национальные эталоны – это техническая основа национальной метрологической инфраструктуры, и каждая страна должна создавать их в соответствии со своими потребностями. Для 20 современной России это: научно-технический прогресс в целом, поддержка национальной экономики, развитие высокотехнологичных и наукоѐмких производств (например, наноиндустрии), защита потребителей, здоровья граждан, оборонная и экологическая безопасность государства, а также международное признание национальной метрологической инфраструктуры [6].

Проблемой эталонной базы является ее неактуальное состояние, то есть устаревание. Наиболее критическое состояние отмечается у государственных первичных эталонов. Их состояние характеризуется следующими данными:

47 % государственных эталонов созданы более 20 лет назад; 20 % государственных эталонов созданы более 10 лет назад; 18 % государственных эталонов созданы 5 - 10 лет назад; 15 % государственных эталонов созданы менее 5 лет назад.

Они морально и технически устарели. По ряду видов измерений калибровочные и измерительные возможности МНИИ РФ значительно отстают от возможностей зарубежных НМИ.

Установлено, что требования к точности измерений возрастают в 3- 10 раз каждые 10-15 лет, поэтому национальные эталоны ведущих стран мира обновляются каждые 10-15 лет. Недостаток измерительных возможностей в стране служит препятствием на пути инноваций во многих сферах экономики, медицины, обороны, экологии. Практически во всех новых технологиях сдерживающим их развитие фактором служит отсутствие необходимых метрологических и технических решений, обеспечивающих требуемый уровень точности измерений [7].

53

Износ эталонного поверочного оборудования, эксплуатируемого в центрах метрологии, в среднем составляет ≈ 50 %, при этом темпы обновления эталонной базы составляют (4÷5) % в год.

В настоящее время по количеству признанных и опубликованных МБМВ измерительных возможностей Россия занимает третье место в мире, уступая лишь США и Германии. Однако по ряду жизненно важных для общества измерений, в таких областях, как материаловедение, нанометрология, здравоохранение, измерение параметров воды, биологической среды, продуктов питания и других Россия значительно отстает от развитых стран [7].

Ввиду ресурсных ограничений первоочередном порядке модернизируются не все требующие обновления эталоны, а только важнейшие государственные первичные эталоны, активно используемые в интересах большинства ведущих отраслей промышленности, науки, сфер обороны, здравоохранения, экологии. В известной мере индикатором необходимости совершенствования эталона являются также результаты сличений с первичными эталонами других стран [6].

Также проблемой, связанной с эталонами, являются противоречия между классическими определениями физических величин и их единиц с современными научными взглядами, а, следовательно, и назревшая потребность изменения и совершенствования самой Международной системы единиц.

Международное бюро мер и весов на своей 94-й конференции в октябре 2005 г. принял Рекомендацию 1 (С1-2005) "Подготовительные шаги к новым определениям килограмма, ампера, кельвина и моля через фундаментальные константы". В соответствии с этой Рекомендацией в журнале Metrologia были предложены к обсуждению переопределения основных единиц СИ с использованием фиксированных значений фундаментальных физических констант: постоянной Планка h, элементарного заряда е, постоянной Больцмана k и постоянной Авогадро NA. При этом предполагается, что фиксированные значения указанных констант будут иметь уровень точности, достигнутый к моменту проведения 24-й Генеральной конференции по мерам и весам (ГКМВ) в 2011 г.

Если для ампера, кельвина и моля «консенсус практически уже достигнут, то в отношении килограмма конкурируют два определения. Коротко – это "электрический килограмм" и "атомный килограмм". Электрический килограмм подразумевает определение и воспроизведение через постоянную Планка, а атомный – через число Авогадро. В этом споре мир разделился примерно на равные части:

54

Европа вместе с Японией придерживаются концепции атомного килограмма, англоязычный мир во главе с Америкой – электрического килограмма».

11.ВВЕДЕНИЕ КРАТНЫХ И ДОЛЬНЫХ ЕДИНИЦ ИЗМЕРЕНИЯ

ИИХ ПРИМЕНЕНИЕ В ПРАКТИКЕ ИЗМЕРЕНИЙ

Кратные и дольные единицы в систему СИ не входят, за исключением килограмма, являющегося основной единицей СИ. Кратные и дольные единицы от единиц физических величин и их наименования образуются при помощи множителей и приставок

(табл. 11.1)

Кратные и дольные единицы образовывали первоначально посредством очень небольших множителей и делителей.

Кратные и дольные единицы образуются путем умножения единицы измерения на коэффициент 10k, где k – целое число.

Представленные в таблице кратные и дольные единицы для данной физической величины не следует считать исчерпывающими, так как они могут не охватывать диапазоны физических величин в развивающихся и во вновь возникающих областях науки и техники. Тем не менее, рекомендуемые кратные и дольные от единиц СИ

55

способствуют единообразию представления значений физических величин, относящихся к различным областям техники.

Стандарт разрешает применять десятичные кратные и дольные единицы, наименования которых следует образовывать путем присоединения приставок (Международный комитет присвоил им наименование Приставки СИ), охватывающих диапазон множителей, приведенных в Таблице 11.1. Присоединение к наименованию единицы двух или более приставок подряд не допускается. Например, вместо наименования единицы микромикрофарад следует писать наименование пикофарад.

Со времён появления гелиоцентрической системы, а особенно кеплеровской небесной механики, относительные расстояния в Солнечной системе (исключая слишком близкую Луну) стали известны с хорошей точностью. Поскольку Солнце является центральным телом системы, а обращающаяся по почти круговой орбите Земля – местоположением наблюдателей, естественно было принять радиус этой орбиты за единицу измерения. Однако не существовало способа надёжно измерить величину этой единицы, то есть сравнить её с земными масштабами. Солнце находится слишком далеко, чтобы с Земли надёжно измерить параллакс. Расстояние до Луны было известно, но исходя из известных в XVII в. данных оценить отношение расстояний до Солнца и Луны не удавалось – наблюдение за Луной не даёт требуемой точности, а отношение масс Земли и Солнца также не было известно.

В 1672 г. Джованни Кассини совместно со своим сотрудником Жаном Рише измерили параллакс Марса. Поскольку параметры орбиты Земли и Марса были измерены с высокой точностью, появилась возможность оценить величину астрономической единицы – в современных единицах у них получилось примерно 140 млн км. Впоследствии проводились уточнённые измерения астрономической единицы при помощи прохождений Венеры по солнечному диску. Сближение астероида Эрос с Землёй в 1901 г. и измерение его параллакса позволили получить ещё более точную оценку.

Астрономическая единица также уточнялась с помощью радиолокации планет. Локацией Венеры в 1961 г. установлено, что астрономическая единица равна 149 599 300 км. Возможная ошибка не превышала 2000 км. Повторная радиолокация Венеры в 1962 г. позволила уменьшить эту неопределенность и уточнить значение астрономической единицы: оно оказалось равным 149 598 100±750 км. Выяснилось, что до локации 1961 г. величина а. е. была известна с точностью 0,1 %.

56

Многолетние измерения астрономической единицы (в её определении 1976 года) зафиксировали её медленное увеличение со скоростью около 15 сантиметров в год (что на порядок превышает точность современных измерений). Одной из причин может быть потеря Солнцем массы (вследствие солнечного ветра), однако наблюдаемый эффект значительно превышает расчётные значения.

Миля морская (англ. nauticalmile) – единица длины для измерений расстояния на море.

Равняется 1852 м. Соответственно, 1 км = 0,5399568 морской мили. Эта величина определена в 1929 году на I экстраординарной международной гидрографической конференции в Монако. Единого определенного обозначения не ввели, но часто встречаются

сокращения M, NM, Nm, nmi.

Со времен Меркатора морская миля была длиной 1 минуты градуса дуги земного меридиана (т.е. 1/21600 длины дуги меридиана). Так как форма Земли отличается от шарообразной, величина 1 минуты градуса меридиана колеблется: на полюсах она составляет 1861,6 м, а на экваторе 1842,9 м. Унифицированная миля примерно равна значению длины минуты градуса меридиана на широте 45˚ (1852,2 м). Как угловая и линейная мера одновременно, морская миля удобна для решения задач навигации.

Узел – единица измерения скорости, равная одной морской миле в час. Применяется в мореходной и авиационной практике. Так как существуют разные определения морской мили, соответственно, и узел может иметь разные значения. По международному определению, один узел равен 1,852 км/ч (1 морская миля в час) или 0,514 м/с. Эта единица измерения, хотя и является внесистемной, допускается для использования наряду с единицами СИ. Распространённость узла как единицы измерения связана со значительным удобством его применения в навигационных расчётах: судно, идущее на скорости в 1 узел вдоль меридиана, за один час проходит одну угловую минуту географической широты. Происхождение названия связано с принципом использования секторного лага. Скорость судна определялась как число узлов на лине (тонкий трос), прошедших через руку измеряющего за определённое время (обычно 15 секунд или 1 минута). При этом расстояние между соседними узлами на лине и время измерения были подобраны с таким расчётом, что это количество численно равнялось скорости судна, выраженной в морских милях в час.

Карат (от итал. carato, через араб. (кират), от др.-греч. κεράτιον (сerátion) – стручок рожкового дерева (Ceratoniasiliqua), семена

57

которого служили мерой массы) – единица измерения массы и объёма, а также мера чистоты золота.

Метрический карат – внесистемная единица измерения массы. Установлен 4-й Генеральной конференцией по мерам и весам (Париж, 1907) и принят в СССР с 1922 года, равен 200 мг (0,2 грамма). Сокращённое обозначение: русское – кар, международное – ct. Применяется в ювелирном деле для определения массы драгоценных камней и жемчуга. В настоящее время в Российской Федерации карат допущен к использованию в качестве внесистемной единицы без ограничения срока с областью применения «для драгоценных камней и жемчуга». Международная организация законодательной метрологии (МОЗМ) относит карат к единицам измерения, «которые могут временно применяться до даты, установленной национальными предписаниями, но которые не должны вводиться, если они не используются».

Английский карат – 105 мг.

Арабский карат (кират) – устаревшая мера веса в мусульманских странах, приблизительно равная 223 мг.

Канонический кират, который чаще использовался в Ираке, был равен 1/20 мискаля и состоял из 5 (канонически) или, чаще, из 3 хабб. Соответственно, карат весил 1/14 весового дирхама в 3,125 г, то есть

0,2232 г.

В Малой Азии, Египте, Сирии и Мекке 1 кират был равен 1/24 мискаля = 1/16 дирхама = 4 хаббам. В Малой Азии кират = 0,204 г, а в Египте, Сирии и Мекке – 0,195 г.

Собственные меры веса в Египте: 1 шамуна = 1/4 бакилы = 3 египетских кирата.

Карат как единица измерения объёма: Египетский карат (кират) – египетская мера измерения объёма, равная 1/32 кадаха = 0,064 л.

Карат как единица измерения площади: Египетский карат (кират) – египетская мера поверхности = 1/24 фаддана = 3 хаббы = 6 даников = 24 сахма = 175,035 м².

Карат как единица измерения чистоты вещества (пробы): Британский карат – неметрическая единица оценки чистоты вещества, равная 1/24 массы чистого вещества в общей массе. Обозначается заглавной английской буквой K.

Чаще всего используется для маркировки чистоты золота, в таком случае называется «Британским каратом золота».

Оборот в минуту (обозначение об/мин, 1/мин, мин-1, также часто используется английское обозначение rpm) – единица измерения частоты вращения: количество полных оборотов, совершенных вокруг

58

фиксированной оси. Используется для измерения скорости вращения механических компонентов.

Также используется единица оборот в секунду (символ об/с или с−1). Обороты в минуту конвертируются в обороты в секунду делением на 60. Обратное преобразование – обороты в минуту умножаются на 60.

1 об/мин = 1/мин = 1/(60с) = 1/60 об/с ≈ 0,01667 об/с

Ещё одна физическая величина связана с данным понятием: угловая скорость; в системе СИ она измеряется в радианах в секунду

(рад·с−1):

1 об/мин = 2π рад·мин−1 = 2π/60 рад·с−1 = 0,1047 рад·с−1 ≈ 1/10

рад·с−1

Бар (русское обозначение: бар; международное: bar) – внесистемная единица измерения давления, примерно равная одной атмосфере. Один бар равен 105 Па или 106 дин/см² (в системе СГС).

ВРоссийской Федерации бар допущен к использованию в качестве внесистемной единицы без ограничения срока с областью применения «промышленность». Международная организация законодательной метрологии (МОЗМ) в своих рекомендациях относит бар к единицам измерения, «которые могут временно применяться до даты, установленной национальными предписаниями, но которые не должны вводиться, если они не используются».

Впрошлом бар был названием другой единицы измерения давления, входившей в систему СГС. Бар был равен 1 дин/см² = 0,1

Па[4].

ЗАДАЧИ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО РЕШЕНИЯ

1.Сколько эксаметров (Эм) и петаметров (Пм) заключено в расстоянии от Земли до Солнца (приблизительно 150 млн. км)?

2.Выразить скорость вращения точки земной поверхности в: а) радианах; б) километрах; в) метрах; г) сантиметрах; д) миллиметрах; е) микрометрах; ж) ангстремах.

3.Какое расстояние в метрах и в миллиметрах пройдет луч света за: а) 1 наносекунду; б) 1 пикосекунду; в) 1 аттосекунду?

4.Скорость электронов в телевизионной трубке телевизоров 70000 км/с. Выразить это значение в км/ч и в частях от скорости света.

5.Современный торпедный катер развивает скорость 150 км/ч. Выразить это значение в: а) узлах; б) м/мин; в) км/с; в) м/с; г) см/с.

59

6.Первый искусственный спутник Земли совершил около 1400 витков вокруг планеты. Какой общий путь совершил спутник, если средняя высота полета составила 600 км над поверхностью Земли?

7.Средняя продолжительность жизни человека в России составляет в настоящее время 65 лет. Какой путь в космическом пространстве совершает среднестатистический гражданин нашей страны, если известно, что расстояние до Солнца составляет 150 млн. км, а радиус Земли – 6000 км?

8.В один день к звезде Проксима Центавра (4,244 св.лет от Земли,

1 световой год=9,46* км) отправили космический аппарат со скоростью v=300 м/c. Через 15 лет туда же отправили второй аппарат со скоростью v=1 а.е./ч (1 а.е= 150 млн км). Какой из аппаратов прилетит первым и за сколько времени? Выразите это время в годах, декадах, веках, тысячелетиях.

9.За минуту человек делает 100 шагов. Определите длину шага человека, если он идёт со скоростью 5 м/c. Выразите эту длину в: а) метрах; б) миллиметрах; в) парсеках (1 пк= 3,2616 св. года); г) футах; д) аршинах.

10.Медная проволока имеет электрическое сопротивление, равное 36 Ом. Проволоку разрезали на равные части и включили их параллельно друг другу. Полученная связка имела сопротивление, равное 1 Ом. На сколько частей разрезали проволоку?

11.Что измеряют в каратах? В парсеках? В радианах? В

стерадианах? В рад/c? В кг*м/ ? Назовите эквивалент величины, измеряемой в Н*м.

ВОПРОСЫ ДЛЯ КОНТРОЛЯ

1.Как образуются кратные и дольные единицы физических величин и их наименования?

2.Как измерялась астрономическая единица?

3.От куда получила название величина измерения расстояния на море – Узел?

4.Карат как единица измерения массы и объёма.

5.Единицы измерения частоты.

12. МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПО

Метрологическая экспертиза программного обеспечения (МЭ ПО) является сравнительно новым и нетрадиционным видом метрологической деятельности. Ее необходимость и актуальность

60

особенно возросли в последнее время в связи с расширяющимися масштабами разработки и использования современных автоматизированных систем коммерческого учета энергетических ресурсов (например, АСКУЭ), важным составным элементом которых являются информационно-измерительные системы (ИИС), состоящие в большинстве случаев из современных автоматизированных средств измерений и программного продукта, обеспечивающего сбор, передачу, обработку, хранение и представление измерительной информации.

Проблема заключается в том, что использование в СИ, в том числе

ив ИИС, программного обеспечения сопряжено с возможным проявлением ряда рисков, обусловленных как внутренними свойствами ПО, так и внешними причинами. Эти риски должны быть сведены к минимуму. Все это приводит к необходимости проведения независимой, в том числе метрологической, экспертизы используемого программного обеспечения.

Внастоящее время среди специалистов нет единого мнения по вопросу о том, что понимать под метрологической экспертизой программного обеспечения. Дело в том, что само по себе ПО не является средством измерений и поэтому не обладает какими-либо метрологическими характеристиками. Но если ПО входит в состав СИ (встроенное ПО), или сопровождает его (автономное ПО), то оно, как уже отмечалось, в силу рисков, связанных с его использованием, может оказывать влияние на метрологические характеристики СИ, и вот как раз оценка такого влияния становится одной из задач МЭ ПО.

Отметим также, что ст. 9 Федерального закона 102-ФЗ «Об обеспечении единства измерений», кроме формулировки определенных требований к ПО СИ, также содержит положение о необходимости обеспечения такого уровня защиты ПО СИ, который мог бы предотвращать возможность искажения измерительной информации.

Исходя из сказанного можно сформулировать следующие основные задачи МЭ ПО: проверка функциональности ПО, т.е. проверка того, что назначение и реальные функции ПО полностью соответствуют тому, что записано в документации на ПО; проверка идентификации ПО; проверка уровня защиты ПО от непреднамеренного и преднамеренного искажения измерительной информации; оценка степени влияния ПО на метрологические характеристики СИ.

МЭ ПО СИ позволяет повысить надежность функционирования СИ

иизмерительных систем, свести к минимуму риски, связанные с использованием программного обеспечения и в конечном итоге